EET2503-Wind Energy Technology

เทคโนโลยีกังหันลม พลังงานลม เป็นพลังงานจากธรรมชาติที่สามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ มนุษย์เราได้ใช้ประโยชน์จากพลังงานลมมานานหลายพันปี ในการอำนวยความสะดวกสบายแก่ชีวิต เช่น การแล่นเรือใบขนส่งสินค้าไปได้ไกลๆ การหมุนกังหันวิดน้ำ การหมุนโม่หินบดเมล็ดพืชให้เป็นแป้ง ในปัจจุบันมนุษย์จึงได้ให้ความสำคัญและนำมาใช้ประโยชน์มากขึ้น โดยการนำมาใช้ผลิตกระแสไฟฟ้า เนื่องจากพลังงานลมมีอยู่โดยทั่วไป ไม่ต้องซื้อ เป็นพลังงานที่สะอาด ไม่ก่อให้เกิดอันตรายต่อสภาพแวดล้อม และสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้อย่างไม่รู้จักหมดสิ้น “ กังหันลม ” เป็นอุปกรณ์ชนิดหนึ่งที่ถูกนำมาใช้้สกัดพลังงานจลน์ของกระแสลม และเปลี่ยนให้เป็นให้เป็นพลังงานกล จากนั้นจึงนำพลังงานกลมาใช้ประโยชน์ กล่าวคือ เมื่อกระแสลมพัดผ่านใบกังหัน จะเกิดการถ่ายทอดพลังงานจลน์ไปสู่ใบกังหัน ทำให้กังหันหมุนรอบแกน สามารถนำพลังงานจากการหมุนนี้ไปใช้งานได้

ชนิดของกังหันลม ปัจจุบันการพัฒนาเทคโนโลยีกังหันลมเพื่อใช้สำหรับผลิตไฟฟ้าได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง หลายประเทศทั่วโลกได้ให้ความสนใจ โดยเฉพาะในทวีปยุโรป เช่น ประเทศเดนมาร์ก กังหันลมที่ได้มีการพัฒนากันขึ้นมานั้นจะมีลักษณะและรูปร่างแตกต่างกันออกไป แต่ถ้าจำแนกตามลักษณะแนวแกนหมุนของกังหันจะได้ 2 แบบ คือ 1. กังหันลมแนวแกนนอน (Horizontal Axis Wind Turbine) เป็นกังหันลมที่มีแกนหมุนขนานกับทิศทางของลมโดยมีใบพัดเป็นตัวตั้งฉากรับแรงลม มีอุปกรณ์ควบคุมกังหันให้หันไปตามทิศทางของกระแสลม เรียกว่า หางเสือ และมีอุปกรณ์ป้องกันกังหันชำรุดเสียหายขณะเกิดลมพัดแรง เช่น ลมพายุและตั้งอยู่บนเสาที่แข็งแรง กังหันลมแบบแกนนอน ได้แก่ กังหันลมวินด์มิลล์ ( Windmills) กังหันลมใบเสื่อลำแพน นิยมใช้กับเครื่องฉุดน้ำ กังหันลมแบบกงล้อจักรยาน กังหันลมสำหรับผลิตไฟฟ้าแบบพรอบเพลเลอร์ (Propeller) 2. กังหันลมแนวแกนตั้ง (Vertical Axis Wind Turbine) เป็นกังหันลมที่มีแกนหมุนและใบพัดตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ของลมในแนวราบ ซึ่งทำให้สามารถรับลมในแนวราบได้ทุกทิศทาง

ส่วนประกอบของระบบกังหันลมขนาดใหญ่สำหรับผลิตไฟฟ้า 1. ใบพัด เป็นตัวรับพลังลมและเปลี่ยนให้เป็นพลังงานกล ซึ่งยึดติดกับชุดแกนหมุนและส่งแรงจากแกนหมุนไปยังเพลาแกนหมุน 2. เพลาแกนหมุน ซึ่งรับแรงจากแกนหมุนใบพัด และส่งผ่านระบบกำลัง เพื่อหมุนและปั่นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า 3. ห้องส่งกำลัง ซึ่งเป็นระบบปรับเปลี่ยนและควบคุมความเร็วในการหมุน ระหว่างเพลาแกนหมุนกับเพลาของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า 4. ห้องเครื่อง ซึ่งมีขนาดใหญ่และมีความสำคัญต่อกังหันลม ใช้บรรจุระบบต่างๆ ของกังหันลม เช่น ระบบเกียร์ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า เบรก และระบบควบคุม 5. เครื่องกำเนิดไฟฟ้า ทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้า 6. ระบบควบคุมไฟฟ้า ซึ่งใช้ระบบคอมพิวเตอร์เป็นตัวควบคุมการทำงาน และจ่ายกระแสไฟฟ้าเข้าสู่ระบบ 7 . ระบบเบรค เป็นระบบกลไกเพื่อใช้ควบคุมการหยุดหมุนของใบพัดและเพลาแกนหมุนของกังหัน เมื่อได้รับความเร็วลม เกินความสามารถของกังหัน ที่จะรับได้ และในระหว่างการซ่อมบำรุงรักษา 8 . แกนคอหมุนรับทิศทางลม เป็นตัวควบคุมการหมุนห้องเครื่อง เพื่อให้ใบพัดรับทิศทางลมโดยระบบอิเลคทรอนิคส์ ที่เชื่อมต่อให้มีความสัมพันธ์ กับหางเสือรับทิศทางลมที่อยู่ด้านบนของเครื่อง 9 . เครื่องวัดความเร็วลมและทิศทางลม ซึ่งเชื่อมต่อสายสัญญาณเข้าสู่ระบบคอมพิวเตอร์ เพื่อเป็นตัวชี้ขนาดของความเร็วและทิศทางของลม เพื่อที่คอมพิวเตอร์จะได้ควบคุมกลไกอื่นๆ ได้ถูกต้อง 10 . เสากังหันลม เป็นตัวแบกรับส่วนที่เป็นตัวเครื่องที่อยู่ข้างบน

พลังงานลม ผลดีกับธรรม ชาติ พลังงานลม เป็นพลังงานธรรมชาติที่สะอาดและบริสุทธิ์ ใช้แล้วไม่มีวันหมดสิ้นไปจากโลก จึงทำให้พลังงานลมได้รับความสนใจในการศึกษาและพัฒนาให้เกิดประโยชน์กันอย่างกว้างขวาง ในขณะเดียวกัน กังหันลม ก็เป็นอุปกรณ์ชนิดหนึ่งทีสามารถนำพลังงานลมมาใช้ให้เป็นประโยชน์ได้โดยเฉพาะในอการผลิตกระแสไฟฟ้าและการสูบน้ำ ซึ่งมีการใช้งานกันมาแล้วอย่างแพร่หลายในอดีตที่ผ่านมา ทดแทนการผลิตด้วยพลังงานซากดึกดำบรรพ์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแถบประเทศยุโรปได้มีการพัฒนาเทคโนโลยีกังหันลมเพื่อผลิตไฟฟ้าในเชิงพาณิชย์ซึ่งกังหันลมขนาดใหญ่แต่ละตัวสามารถผลิตไฟฟ้าได้ 4 - 5 เมกะวัตต์ และนับวันจะยิ่งได้รับการพัฒนาให้มีขนาดใหญ่ขึ้นและมีประสิทธิภาพสูงขึ้น

การคำนวณ Power calculation ของกังหันลม สูตรคำนวณพลังงานลมสำหรับกังหันลมแนวนอน พลังงานลม = 1/2 x air-density x เส้นผ่าศูนกลางของใบพัด2 x wind speed3 air-density มีค่าประมาณ 1.225 kg/m3 สูตรคำนวณความเร็วรอบต่อนาทีสำหรับกังหันลมแนวนอน RPM = wind speed x tip speed ratio x 60/(3.14 x เส้นผ้าศูนย์กลางของใบพัด) สูตรคำนวณแรงบิดสำหรับกังหันลมแนวนอน แรงบิด = wind speed x 60/(2 x 3.14 x RPM) สูตรคำนวณพลังงานลมสำหรับกังหันลมแนวตั้ง พลังงานลม = 1/2 x air-dendity x เส้นผ้าศูนย์กลางของใบพัด x ความสูงของใบพัด x wind speed3 สูตรคำนวนความเร็วรอบต่อนาทีสำหรับกังหันลมแนวตั้ง RPM = wind speed x tip speed ratio x 60/(3.14 x เส้นผ้าศูนย์กลางของใบพัด)

สูตรคำนวณความเร็วรอบต่อนาทีสำหรับกังหันลมแนวตั้ง RPM = wind speed x tip speed ratio x 60/(3.14 x เส้นผ้าศูนย์กลางของใบพัด) Tip Speed ratio คืออัตราส่วนความเร็ว ณ.ปลายใบพัดเมื่อเทียบกับความเร็วลมสำหรับกังหันลมแนวตั้งแบบถังน้ำมันผ่าครึ่ง Tip Speed ratio = 0.5 ถังน้ำมัน 200 ลิตรจะมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 58 CM และสูง 89 CM โดยมีระยะเกยกัน 1/3 ของความยาวเส้นผ่าศูนย์กลางดังนั้นจะได้  เส้นผ้าศุนย์กลางของใบพัด = 0.966 เมตร  ความสูงของใบพัด = 0.9 เมตร คำนวณที่ความเร็วลม = 2 m/s  RPM = 2x0.5x60/(3.14 x 0.966) = 19.78 RPM RPM = 5 x 0.5 x 60 /(3.14x0.966)=49.45 RPM สูตรคำนวนแรงบิดสำหรับกังหันลมแนวตั้ง แรงบิด = Wind Power x 60/(2 x 3.14 x RPM) คำนวนที่ความเร็วลม = 2m/s  แรงบิด = 4.21 x 60/(2x3.14x49.45)=12.72 N-m

สูตรทางฟิสิกส์ที่ใช้

1. กฎของเบ็ตซ์ (Betz’ law) กฎขอเบ็ตซ์คือกฎที่แสดงการเปลี่ยนพลังงานจลน์ในลมให้เป็นพลังงานกลโดยใช้กังหันลม และแสดงว่าได้ประสิทธิภาพสูงสุดไม่เกิน 16/27 (ร้อยละ 59) กฎของเบ็ตซ์ถูกคิดขึ้นเป็นครั้งแรกโดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ชื่อ Albert Betz ใน ค.ศ.1919 และต่อมาในปี ค.ศ.1926 เขาตีพิมพ์หนังสือชื่อ “Wind-Energie” ซึ่งช่วยเพิ่มความรู้เกี่ยวกับความสามารถของกังหันลมในการสกัดพลังงานจากลมได้เป็นอย่างดี โดยกำลังในลม (Pwind) รูปทรงกระบอกที่มีพื้นที่หน้าตัด A และมีความเร็ว v สามารถคำนวณได้จาก กำลังที่กังหันลมสกัดจากลม (P) ขึ้นอยู่กับ สัมประสิทธิ์กำลัง, CP(power coefficient) ตามสมการ กำลังสูงสุดที่สามารถสกัดตามกฎของเบ็ตซ์ ( Pmax ) คือ เมื่อ CP = CPmax = 16/27 ตามสมการ

2. แรงต้านอากาศ (Drag force) แรงต้านอากาเป็นแรงที่มีทิศทางต่อต้านการเคลื่อนที่หรือทิศทางตรงข้ามกับแรงที่พยายามจะทำให้วัตถุเกิดการเคลื่อนที่เกิดขึ้นขณะที่วัตถุเคลื่อนที่ผ่านกระแสอากาศ ค่าสัมประสิทธิ์แรงต้านอากาศมีผลจากรูปร่างของวัตถุ ตัวอย่างเช่น ทรงกลมกลวงผ่าครึ่งของเครื่องวัดความเร็วลมแบบถ้วย ถ้าหันด้านเว้าให้ลมค่าสัมประสิทธิ์แรงต้านอากาศ 1.42 แต่ถ้าหันด้านโค้งให้ลมค่าจะลดลงเหลือ 0.38 รถยนต์สมัยใหม่มีค่าสัมประสิทธิ์แรงต้านอากาศอยู่ระหว่าง 0.27-0.45 เครื่องบินหรือใบพัดกังหันลมมีค่าสัมประสิทธิ์แรงต้านอากาศน้อยมากประมาณ 0.04 ตัวอย่างของการใช้ประโยชน์จากแรงต้านอากาศ เช่น เครื่องวัดความเร็วลมแบบถ้วย กังหันลมแบบซาโวเนียส (Savonious) โดยแรงลมจะผลักใบพัดของกังหันลมทำให้เกิดแรงต้านอากาศขึ้นกับใบกังหันลมทั้งสองด้านที่แตกต่างกัน ทำให้โรเตอร์ของกังหันลมหมุน

3. แรงยก (Lift force) แรงยกเป็นแรงกระทำตั้งฉากกับทิศทางของกระแสอากาศหรือของไหลที่ไหลผ่านวัตถุเป็นแรงที่มีทิศตรงข้ามกับแรงโน้มถ่วงหรือนํ้าหนักวัตถุนั้น ๆ แรงยกคำนวณได้จากสมการ ค่าสัมประสิทธิ์แรงยกแปรผันกับรูปร่างและความเรียบของพื้นผิวของวัตถุ ตัวอย่างของการใช้ประโยชน์จากแรงยกเช่น เครื่องบิน กังหันลมผลิตไฟฟ้าสมัยใหม่ กังหันลมแกนหมุนแนวตั้งแบบแดร์เรียส (Darrieus) โดยแรงลมจะผลักใบพัดของกังหันลมทำให้ด้านล่างของแพนอากาศ เกิดความดันสูง และด้านบนของแพนอากาศเกิดความดันตํ่า ส่งผลทำให้เกิดแรงยกขึ้นในทิศทางที่ตั้งฉากกับลมทำให้โรเตอร์หมุน

4. การสูญเสียแรงยก (Stall) การสูญเสียแรงยกเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดเมื่ออากาศที่ไหลผ่านเหนือแพนอากาศ เกิดการแยกตัวออกจากพื้นผิวและก่อให้เกิดลมหมุนขึ้น ทำให้แรงยกมีค่าลดลงและเกิดแรงลากมากขึ้น ถ้าเกิดปรากฏการณ์เช่นนี้กับเครื่องบินเป็นภาวะที่เป็นอันตรายสูงสุดเพราะเป็นสาเหตุให้เครื่องบินตกได้ ปรากฏการณ์นี้เป็นประโยชน์ในการจำกัดพลังงานจากลมที่กระทำต่อกังหันลม เมื่อความเร็วลมสูงกว่าความเร็วลมพิกัดในกังหันลมแกนหมุนแนวนอน (horizontal axis wind turbine (HAWT)) ที่ไม่สามารถปรับมุมใบพัดได้ส่งผลทำให้มุมปะทะ (α) มีค่าเพิ่มขึ้นใบพัดกังหันลมเกิดการสูญเสียแรงยก พลังงานจากลมจะถูกจำกัดให้ลดลงได้ (แต่มีค่าไม่คงที่) และในขณะที่เกิดการสูญเสียแรงยกจะส่งผลทำให้เกิดความเครียดกับใบพัดกังหันลมมากขึ้น และเกิดเสียงดังมากขึ้นไปด้วย ในกังหันลมที่สามารถปรับมุมใบพัดได้ เมื่อปรับมุมใบพัดเพื่อเพิ่มมุมปะทะ (α) ใบพัดกังหันลมจะทำงานในสภาวะการสูญเสียแรงยก ส่งผลให้แรงยกของกังหันลมลดลงทำให้กังหันลมสามารถจำกัดพลังงานจากลมให้คงที่ได้ แต่การปรับมุมใบพัดให้เกิดการสูญเสียแรงยกเป็นการเพิ่มพื้นที่หน้าตัดของใบพัดให้หันหน้าหาลมมากขึ้น ส่งผลให้เกิดแรงลากมากขึ้นใบพัดก็จะได้รับความเครียดมากขึ้นตามไปด้วยเช่นกัน

5. ลำการไหล (Stream tube) กลุ่มของเส้นการไหลที่มีการเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องผ่านหน้าตัดหนึ่ง ๆ ลำการไหลของอากาศจะไหลเข้าโรเตอร์ของกังหันลมด้วยความเร็วลมสูง (พื้นที่หน้าตัดน้อย) แต่เมื่ออากาศไหลออกจะไหลด้วยความเร็วลมตํ่า (พื้นที่หน้าตัดเพิ่มขึ้น) ลำการไหลของอากาศผ่านกังหันลม 6. เส้นการไหล (Streamlines) เส้นแสดงทางเดินของของไหล โดยสมมติว่าอนุภาคที่ไม่มีมวลเคลื่อนที่ไปกับการไหลทำให้เกิดเส้นการไหลขึ้น

7. ผลกระทบของการหมุนวนด้านหลัง (Wake effect) ผลกระทบของการหมุนวนด้านหลังของกังหันลม Riso National Laboratory ประเทศเดนมาร์ก ผลกระทบจากการหมุนวน ความปั่นป่วน และการลดความเร็วของลมที่เกิดขึ้นด้านหลังของกังหันลมในขณะทำงาน เกิดเนื่องจากกังหันลมหมุนและสกัดพลังงานไฟฟ้าออกจากลม ทำให้พลังงานในลมมีค่าลดลง ส่งผลต่อการผลิตพลังงานไฟฟ้าของกังหันลมที่ติดตั้งอยู่ด้านหลังสำหรับทุ่งกังหันลมการลดผลกระทบนี้มักจะทำโดยการติดตั้งกังหันลมให้มีระยะห่างจากกันอย่างน้อยสามถึงห้าเท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางโรเตอร์

ผู้ให้กำเนิดกังหันลมผลิตไฟฟ้า 1. พอล ลา คัวร์ (Poul la Cour) ผู้บุกเบิกกังหันลมผลิตไฟฟ้าสมัยใหม่ พอล ลา คัวร์ (ค.ศ. 1846-1908) ชาวเดนมาร์ค เป็นผู้บุกเบิกกังหันลมผลิตไฟฟ้าสมัยใหม่ (ใช้หลักการทางอากาศพลศาสตร์) เขาเป็นทั้งนักอุตุนิยมวิทยา นักประดิษฐ์ และนักการศึกษา พอล ลา คัวร์ ได้สร้างกังหันลมสมัยใหม่ โดยสร้างอุโมงค์ลมของเขาเองสำหรับการทดสอบกังหันลม นอกเหนือจากนี้ ยังสนใจเกี่ยวกับการจัดเก็บพลังงานโดยการใช้ไฟฟ้าจากกังหันลมป้อนเข้าเครื่องแยกนํ้าด้วยไฟฟ้าเพื่อใช้ผลิตไฮโดรเจน (ซึ่งเป็นการเก็บพลังงานรูปแบบหนึ่ง)และยังได้ตีพิมพ์ “The Journal of Wind Electricity” ซึ่งเป็นวารสารฉบับแรกของโลกที่กล่าวถึงการใช้พลังงานลมในการผลิตไฟฟ้า กังหันลมทดสอบของ พอล ลา คัวร์ ที่โรงเรียนมัธยม Askov Folk ปี ค.ศ. 1897 ที่เอสกอฟ ประเทศเดนมาร์ก

2. ชาร์ลส เอฟ บรัช (Charles F 2. ชาร์ลส เอฟ บรัช (Charles F. Brush) ผู้สร้างกังหันลมผลิตไฟฟ้าอัตโนมัติตัวแรกของโลก ชาร์ลส เอฟ บรัช (ค.ศ. 1849-1929) เป็นหนึ่งในผู้ก่อตั้งอุตสาหกรรมไฟฟ้าของสหรัฐอเมริกา เป็นผู้คิดค้นเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงที่มีประสิทธิภาพสูง หลอดไฟฟ้าแบบอาร์ค วิธีการผลิตแบตเตอรี่ตะกั่วกรดที่มีประสิทธิภาพในปี ค.ศ. 1887-1888 บรัชได้สร้างกังหันลมผลิตไฟฟ้าอัตโนมัติตัวแรก เป็นกังหันลมที่ใหญ่ที่สุดในโลก เส้นผ่านศูนย์กลาง17 เมตร มีใบพัด 144 ใบ ทำด้วยไม้ ใช้งานได้เป็นเวลาถึง 20 ปี เพื่อบรรจุแบตเตอรี่ ทั้งๆ ที่เป็นกังหันลมขนาดใหญ่ แต่เครื่องกำเนิดไฟฟ้ามีขนาดเพียง 12 กิโลวัตต์ เนื่องจากกังหันลมหมุนช้าและมีประสิทธิภาพ ตํ่า ซึ่งตํ่ากว่ากังหันลมของ พอล ลา คัวร์ กังหันลมขนาด 12 กิโลวัตต์ สูง 60 ฟุต หนัก 80,000 ปอนด์ของ ชาร์ลส เอฟ บรัช

3. โยฮัน จูล (Johannes Juul) ผู้บุกเบิกการพัฒนากังหันลมผลิตไฟฟ้ากระแสสลับตัวแรกของโลก โยฮัน จูล เป็นวิศวกรชาวเดนมาร์ค เป็นนักเรียนกลุ่มแรก ๆ ของ พอล ลา คัวร์ ในวิชา “Wind Electricians” ในปี ค.ศ. 1904 โดยในทศวรรษที่ 1950 เป็นผู้บุกเบิกการพัฒนากังหันลมผลิตไฟฟ้ากระแสสลับตัวแรกของโลก และต่อมาในปี ค.ศ. 1956-1957 ได้สร้างกังหันลมสมัยใหม่ขนาด 200 กิโลวัตต์ สำหรับบริษัทผลิตไฟฟ้าที่ตั้งอยู่ที่ชายฝั่ง Gedser ทางตอนใต้ของประเทศเดนมาร์ก เป็นกังหันลมชนิดหันหน้าเข้าสู่ลม ใช้มอเตอร์สำหรับควบคุมการหาทิศทางลมใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบอะซิงโครนัส (asynchronous generator) และใบพัดของกังหันลมทั้งสามใบถูกยึดโยงเข้าด้วยกัน การควบคุมกำลังไฟฟ้าที่ผลิตโดยใช้หลักการสูญเสียแรงยก และมีระบบหยุดฉุกเฉินโดยใช้เบรกที่ปลายใบพัด ซึ่งจะทำงานโดยใช้แรงหนีศูนย์กลาง กังหันลมที่สร้างเป็นกังหันลมที่ใหญ่ที่สุดในโลกอยู่เป็นระยะเวลานาน และสามารถทำงานได้ถึง 11 ปี โดย ไม่ต้องทำการบำรุงรักษา กังหันลมผลิตไฟฟ้ากระแสสลับตัวแรกของโลก